莫雪芬

（廣東省珠海高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)銀星小學(xué)，廣東珠海 519085）

一、引言

隨著智能家居、智能校園、智能城市等應(yīng)用深入人們生活中，國(guó)家對(duì)人工智能教育也越發(fā)重視，國(guó)務(wù)院在2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育[1]。人工智能教育在小學(xué)階段的主要教學(xué)目標(biāo)是將人工智能與圖形化編程結(jié)合起來(lái)，以體驗(yàn)為主[2]。由此可見(jiàn)，在小學(xué)階段開(kāi)展人工智能教學(xué)是必要的，但如何開(kāi)展呢？《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022版）給出明確的指引，義務(wù)階段信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)核心要素組成[3]。本研究著力于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，指引學(xué)生在人工智能編程中了解算法的特征和效率，用流程圖描述算法過(guò)程，規(guī)劃實(shí)施步驟，使用順序、分支、循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)控制實(shí)施過(guò)程，最后通過(guò)編程驗(yàn)證該過(guò)程[4]。在研究過(guò)程中逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題，抽象問(wèn)題的特征，構(gòu)建處理問(wèn)題方法的模型，設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案和遷移運(yùn)用的能力。

二、面向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，市面上現(xiàn)有的人工智能教材都是以知識(shí)和技能為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)，不是以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的計(jì)算思維為目標(biāo)；這些教材大部分都是基于硬件進(jìn)行教學(xué)，通過(guò)人工智能的編程算法來(lái)理解人工智能背后的原理卻鮮有介紹。并且這些教材面對(duì)的對(duì)象基本都是初中學(xué)生以上人群，這些課程不適用本校的學(xué)生。于是，本校信息科技教師在《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》的指引下，以發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)，設(shè)計(jì)系列人工智能編程課程，歸納總結(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)流程如下：

（一）明確培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)目標(biāo)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022版）中指出計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思維方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)[5]?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出第三學(xué)段（5-6年級(jí)）的計(jì)算思維學(xué)段目標(biāo)：通過(guò)生活中的實(shí)例，了解算法的特征和效率。對(duì)于給定的任務(wù)，能將其分解成一系列的實(shí)施步驟。在問(wèn)題解決過(guò)程中，能將問(wèn)題分解為可處理的子問(wèn)題，了解反饋對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的作用[6]。課程設(shè)計(jì)者來(lái)定制分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和應(yīng)用問(wèn)題的問(wèn)題解決過(guò)程主要教學(xué)目標(biāo)。設(shè)計(jì)者還圍繞這三大目標(biāo)設(shè)計(jì)趣味教學(xué)活動(dòng)。設(shè)計(jì)者通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋式上升的學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在掌握人工智能知識(shí)與技能的同時(shí)，訓(xùn)練其解決問(wèn)題的計(jì)算思維。

（二）采用圖形化編程軟件

小學(xué)階段的人工智能課程，主要是借助有人工智能模塊化的編程工具，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的生活應(yīng)用：如人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)等。學(xué)生能從中體驗(yàn)人工智能給人們生活帶來(lái)的影響，初步了解人工智能的運(yùn)作原理。因此小學(xué)人工智能編程主要是以體驗(yàn)為主，涉及算法不宜過(guò)深?，F(xiàn)在市面上人工智能圖形化編程軟件有許多，如：慧編程、Ucode、編程貓等。本研究選用的是圖形化編程軟件Kittenblock，這款編程軟件有常規(guī)的可視化編程代碼，還添加人工智能擴(kuò)展模塊：視頻偵測(cè)、翻譯、百度大腦（語(yǔ)音識(shí)別、圖片識(shí)別、文字識(shí)別、人臉識(shí)別）、FaceAI（人臉檢測(cè)）、和風(fēng)天氣，MachineLearing（機(jī)器學(xué)習(xí)），還有TensorFlow。它因簡(jiǎn)單操作的人工智能命令而深受各位學(xué)習(xí)者的喜歡。同時(shí)，它支持開(kāi)源硬件和人工智能硬件，能為接下來(lái)創(chuàng)意造物做好準(zhǔn)備。

（三）大單元規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容

人工智能應(yīng)用范圍比較廣，本案采用大單元形式把教學(xué)內(nèi)容分類(lèi)如下圖：

小學(xué)人工智能編程課程目錄

校本課程的教學(xué)內(nèi)容主要分三個(gè)大單元，第一單元是初步了解人工智能的應(yīng)用，通過(guò)生活中的人工智能、人工智能的發(fā)展歷史和人工智能的背后原理這三節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能感知背景并投入到學(xué)習(xí)中。第二單元是感知人工智能，選用生活中實(shí)際的人工智能應(yīng)用讓學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)這四小單元來(lái)探索編程原理。每個(gè)小單元把相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容融合成一個(gè)系列。第三單元是設(shè)計(jì)人工智能，讓學(xué)生結(jié)合生活、發(fā)揮創(chuàng)想設(shè)計(jì)一款人工智能軟件應(yīng)用，并面向全班乃至全校進(jìn)行應(yīng)用推廣。

大單元設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容不僅僅著重知識(shí)與技能的掌握，更多的是通過(guò)系統(tǒng)的單元設(shè)計(jì)集中學(xué)生認(rèn)知過(guò)程，跳出機(jī)械性技能訓(xùn)練的舊模式，讓學(xué)生能在連貫性的學(xué)習(xí)中進(jìn)行深度思考，持續(xù)地進(jìn)行計(jì)算思維訓(xùn)練，從而發(fā)展高階思維。

（四）設(shè)計(jì)跨學(xué)科融合的主題活動(dòng)

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專(zhuān)家系統(tǒng)等領(lǐng)域。人工智能應(yīng)用在生活的各個(gè)方面，因此設(shè)計(jì)者可設(shè)計(jì)切合學(xué)生學(xué)習(xí)生活的跨學(xué)科融合主題活動(dòng)貫穿整單元的學(xué)習(xí)。人工智能與語(yǔ)文的融合過(guò)程能讓學(xué)生品味傳統(tǒng)語(yǔ)言的經(jīng)典，與數(shù)學(xué)融合過(guò)程能讓鍛煉學(xué)生思維能力，與科學(xué)融合過(guò)程能探索大千世界的奧秘，與創(chuàng)客教育融合能實(shí)際解決生活應(yīng)用問(wèn)題。如教師在《識(shí)別車(chē)牌》一課中設(shè)計(jì)與融合數(shù)學(xué)學(xué)科的編碼規(guī)則主題活動(dòng)，在《語(yǔ)音識(shí)別》中一課中設(shè)計(jì)與語(yǔ)文學(xué)科融合的詩(shī)歌朗誦主題活動(dòng)?？鐚W(xué)科融合教學(xué)有利于學(xué)生對(duì)不同學(xué)科的聯(lián)系及整合，拓寬學(xué)生思維的廣度和深度，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

（五）支持多樣化學(xué)習(xí)方式

課程設(shè)計(jì)者提前準(zhǔn)備充分的自學(xué)資源包，如學(xué)習(xí)指導(dǎo)（文檔）、示范作品、制作過(guò)程（微課）、其它輔助資源（圖片或文字）和過(guò)程測(cè)試等。并把這些資源上交到教學(xué)平臺(tái)，如微信公眾號(hào)學(xué)習(xí)群、ITtools平臺(tái)或雨課堂等。學(xué)生可在教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和協(xié)作討論，也可以在教師的組織下，采用混合式學(xué)習(xí)方式，先選用線(xiàn)上自學(xué)的方式學(xué)習(xí)，然后在課堂上和同學(xué)一起探索、優(yōu)化問(wèn)題解決方案，并對(duì)知識(shí)進(jìn)行遷移應(yīng)用。教師為學(xué)生多樣化學(xué)習(xí)搭建足夠的支持條件，滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，讓學(xué)生能根據(jù)自己需要選擇合適的時(shí)間、地點(diǎn)和學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

（六）評(píng)價(jià)以創(chuàng)意造物為主

人工智能應(yīng)用于生活，教師在課堂上盡可能地讓學(xué)生展示和分享作品，鼓勵(lì)學(xué)生把所學(xué)應(yīng)用到實(shí)際生活上，支持學(xué)生使用人工智能編程結(jié)合硬件進(jìn)行創(chuàng)意造物。教師也可以借助科技節(jié)或創(chuàng)意編程活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生展示人工智能編程的應(yīng)用。教師還要監(jiān)督學(xué)生隨時(shí)使用圖片、文字或視頻的方式記錄工程筆記，把工程筆記和編程應(yīng)用一起作為學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的依據(jù)。

三、面向計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)人工智能課程的實(shí)施環(huán)節(jié)

北京航空航天大學(xué)熊璋教授建議在計(jì)算思維教學(xué)過(guò)程中重點(diǎn)把握三個(gè)環(huán)節(jié)：一是分析問(wèn)題環(huán)節(jié)，做好問(wèn)題的界定、抽象和建模；二是求解問(wèn)題環(huán)節(jié)，做好綜合資源，尋求合理算法；三是遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)，做好同類(lèi)問(wèn)題的解決，充分發(fā)揮計(jì)算思維的育人價(jià)值[7]。

本研究參考以上建議，經(jīng)過(guò)課程實(shí)施研究，探索出面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能課程的實(shí)施教學(xué)環(huán)節(jié)。

（一）問(wèn)題界定

課程實(shí)施是以培養(yǎng)計(jì)算思維為主要目標(biāo)，課前，教師拋出生活中同一范疇的多種人工智能應(yīng)用例子，引導(dǎo)學(xué)生思考這些案例共同的地方，涉及到人工智能的領(lǐng)域范疇（機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理或?qū)＜蚁到y(tǒng)），從而界定本節(jié)課問(wèn)題。

例如，在《識(shí)別車(chē)牌》一課中，教師展示道路上車(chē)輛管理、小區(qū)進(jìn)出口和商場(chǎng)計(jì)費(fèi)停車(chē)等生活例子，讓學(xué)生對(duì)這些生活例子進(jìn)行界定：這屬于人工智能中文字識(shí)別的范疇，車(chē)牌的識(shí)別涉及到中文、英文和數(shù)字的識(shí)別。這樣，學(xué)生更加容易掌握車(chē)牌識(shí)別的原理，也會(huì)遷移掌握?qǐng)D文識(shí)別的原理。

（二）問(wèn)題抽象建模

問(wèn)題界定后便開(kāi)始對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象分析，抽絲剝繭，逐層分析問(wèn)題細(xì)節(jié)。教授首先引導(dǎo)學(xué)生分析大問(wèn)題的形成因素：本節(jié)課的大問(wèn)題細(xì)分成幾個(gè)小問(wèn)題，每個(gè)小問(wèn)題是什么狀態(tài)（已掌握/待探究），解決待探究問(wèn)題的方法和支持，如何驗(yàn)證問(wèn)題的是否解決。教師在確定問(wèn)題后引導(dǎo)學(xué)生采用流程圖或者思維導(dǎo)圖方式描述解決問(wèn)題的流程。經(jīng)過(guò)問(wèn)題的抽象分析和建模后，學(xué)生對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)目的和流程有非常清晰的規(guī)劃方案。

如在《識(shí)別車(chē)牌》一課中，學(xué)生首先把識(shí)別車(chē)牌的大問(wèn)題細(xì)分成“第一判斷圖像是否車(chē)牌”“第二用攝像頭進(jìn)行識(shí)別”“第三使用人工智能的文字識(shí)別‘CAR’模塊”和“第四做出相應(yīng)的反應(yīng)，如說(shuō)話(huà)或啟動(dòng)欄桿等”4個(gè)小問(wèn)題，接著把這4個(gè)問(wèn)題中第三和第四這2個(gè)問(wèn)題確定其狀態(tài)為“待探究”，也就是本節(jié)課重點(diǎn)要探索的內(nèi)容。然后查看探究第三個(gè)問(wèn)題的學(xué)習(xí)支持是“視頻微課、說(shuō)明操作、同學(xué)互助”，第四個(gè)問(wèn)題的需要的支持是“說(shuō)話(huà)使用語(yǔ)音識(shí)別、控制欄桿需要舵機(jī)硬件”。最后確定這兩個(gè)問(wèn)題的驗(yàn)證方法是編程命令調(diào)試。學(xué)生把問(wèn)題抽象分析的過(guò)程使用圖示的方式描述解決問(wèn)題的順序。

（三）尋求合理算法

學(xué)生根據(jù)問(wèn)題分析建模結(jié)果，在編寫(xiě)流程圖中尋求合理算法，在編程軟件中使用編程語(yǔ)言指令、算術(shù)和邏輯運(yùn)算形成解決問(wèn)題方案，并多次調(diào)試測(cè)試是否達(dá)到預(yù)期分析效果。如在《識(shí)別車(chē)牌》設(shè)計(jì)算法開(kāi)始→利用“視頻偵測(cè)”模塊開(kāi)啟攝像→建立一個(gè)“車(chē)牌”的列表→判斷識(shí)別的圖形是否車(chē)牌→如果判斷為真便使用人工模塊的文字識(shí)別“CAR”→用邏輯模塊中的“連接”命令語(yǔ)句朗讀“具體車(chē)牌”和“歡迎你”→結(jié)束。并使用流程圖描述以上的算法。對(duì)使用順序、分支和循環(huán)的三種基本控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，并通過(guò)編程驗(yàn)證其三種基本控制結(jié)構(gòu)的效率。深刻了解分支結(jié)構(gòu)的條件判斷語(yǔ)句真?zhèn)螌?duì)分支結(jié)構(gòu)的影響。

（四）優(yōu)化解決問(wèn)題方案

學(xué)生在學(xué)習(xí)中用手工繪制、拍攝照片、制作視頻等方式做學(xué)習(xí)筆記，把最終作品與學(xué)習(xí)筆記一起進(jìn)行展示。學(xué)生在小組活動(dòng)中分享交流解決問(wèn)題的方案，在交流中反思自我不足和學(xué)習(xí)他人優(yōu)勝的地方，并進(jìn)一步調(diào)整語(yǔ)句命令和測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化自己的方案。

（五）遷移應(yīng)用

面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能課程不僅僅是知識(shí)與技能的遷移應(yīng)用，更多的是把課堂中訓(xùn)練的計(jì)算思維遷移應(yīng)用到處理現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題中，運(yùn)用計(jì)算思維快速尋求有效的問(wèn)題解決方案。如《識(shí)別車(chē)牌》一課中，引導(dǎo)學(xué)把識(shí)別車(chē)牌的生嘗試識(shí)別文字和圖片。教師也可以引導(dǎo)學(xué)生將計(jì)算思維遷移應(yīng)用，如鼓勵(lì)學(xué)生把本次學(xué)習(xí)的思維過(guò)程應(yīng)用在處理生活的一件事情上，并尋找解決問(wèn)題的最優(yōu)方案。

四、實(shí)施效果分析

（一）實(shí)驗(yàn)方案

本研究選用本校由五、六年級(jí)學(xué)生組成的人工智能社團(tuán)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，每周定時(shí)開(kāi)展《人工智能編程》課程，共18課時(shí)。利用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行前測(cè)和后測(cè)，通過(guò)前后測(cè)的數(shù)據(jù)分析來(lái)檢驗(yàn)開(kāi)展人工智能編程課程對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的有效性。

（二）問(wèn)卷定制

本研究采用的計(jì)算思維前、后測(cè)問(wèn)卷調(diào)查表是以《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》第三學(xué)段（5--6年級(jí)）的計(jì)算思維學(xué)段目標(biāo)為依據(jù)的，以張屹等人制定的《小學(xué)生計(jì)算思維量表》[8]和Brennan等人提出的計(jì)算思維三維框架的構(gòu)成和具體描述[9]為參考的。問(wèn)卷調(diào)查表以創(chuàng)造力、批判思維、問(wèn)題解決、算法思維和合作能力為五個(gè)維度進(jìn)行量化計(jì)算思維水平，此表共有12道題，每一維度2道題，每道題有專(zhuān)項(xiàng)描述。調(diào)查表以積分的方式統(tǒng)計(jì)，1-5分值代表不同程度，其中1分表述非常不符合，2分表示不符合，3分表示基本符合，4分表示符合，5分表示非常符合。問(wèn)卷調(diào)查表的后測(cè)量表和前測(cè)量表的題號(hào)相同，僅增加“通過(guò)本課堂的學(xué)習(xí)后”字樣來(lái)進(jìn)行區(qū)分。具體問(wèn)卷調(diào)查如表1所示：

表1 《小學(xué)人工智能編程》課堂問(wèn)卷調(diào)查表

（三）數(shù)據(jù)分析

在本研究開(kāi)始前，教師向人工智能社團(tuán)發(fā)放《小學(xué)人工智能編程課堂問(wèn)卷調(diào)查表—前測(cè)》60份，收到有效答卷60份。課程結(jié)束后，通過(guò)線(xiàn)上問(wèn)卷調(diào)查平臺(tái)發(fā)放《小學(xué)人工智能編程課堂問(wèn)卷調(diào)查表—后測(cè)》60份，收到有效答卷60份，問(wèn)卷的回收率為100%。具體前后測(cè)的結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2可以得出，實(shí)驗(yàn)對(duì)象前后測(cè)的計(jì)算思維水平的五個(gè)維度均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。特別是在算法思維方面上的增長(zhǎng)幅度最為顯著，從前測(cè)平均分3.4提升到后測(cè)平均分9.5分，后測(cè)比前側(cè)增加了1.79倍。其次是問(wèn)題解決維度，從前測(cè)平均分4.3提升到后測(cè)6.8分，后測(cè)比前測(cè)平均分增加了58%。批判思維和創(chuàng)造力次之，合作能力進(jìn)步最小。

由此可見(jiàn)指向計(jì)算思維的人工智能編程課程對(duì)小學(xué)生的計(jì)算思維有促進(jìn)作用。經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能使用順序、分支和循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，能用流程圖描述算法，大大提升算法思維水平。經(jīng)過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生逐步形成問(wèn)題界定→問(wèn)題抽象建模→尋求合理算法→優(yōu)化解決方案→遷移應(yīng)用的問(wèn)題解決方式。

五、結(jié)語(yǔ)

在小學(xué)中開(kāi)展人工智能教學(xué)是時(shí)代發(fā)展需要，面向計(jì)算思維培育的人工智能課程跳出唯知識(shí)和唯工具的框架。課程能注重訓(xùn)練問(wèn)題的界定、抽象、建模和優(yōu)化的計(jì)算思維培養(yǎng)，課程強(qiáng)調(diào)使用順序、分支、循環(huán)三種基本控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單描述實(shí)施任務(wù)過(guò)程，通過(guò)編程驗(yàn)證該過(guò)程，進(jìn)而發(fā)展高階思維能力。人工智能教學(xué)給師生打開(kāi)了一個(gè)全新的窗口，教師需要繼續(xù)探索有效的教學(xué)策略，進(jìn)一步優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，推廣和普及課堂內(nèi)容，讓更多的學(xué)生發(fā)展相應(yīng)的學(xué)科素養(yǎng)。